一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信、生物传感器技术、生物医疗技术、信息采集与处理技术领域，特指一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计。
【背景技术】
[0002]无线传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置。生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。
[0003]1967年第一个生物传感器一葡萄糖传感器被研制出来，将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。生物传感器涉及的是生物物质，主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。生物传感器的研究和开发，已经成为当今世界科技发展的新热点，是新兴的高技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。生物传感器包括生物敏感单元和信号转换器，通过生物敏感单元对相应的样本进行采集，之后对采集的样本进行相应的处理。
[0004]无线传感器网络，是集合了传感器技术、现代无线通信技术、网络技术、微电子技术于一体的综合智能信息处理系统，它独特的特点使得它与我们传统的网络相比有着一定的区别。无线传感器的组成模块通常封装在一个外壳内，在工作时它将由电池等供电装置提供电源输入，由随机分布的集成有传感器模块、中央微处理器模块和无线通信收发模块的微型节点，通过自组织的方式构成无线传感网络。节点是无线传感器网络的基石，是实现任务管理、数据采集、功耗管理等功能的承担者，是整个网络系统正常、高效运转的保障。因此，节点的设计是无线生物传感器网路中一个非常重要的研究内容，特别是低功耗的网络节点设计是目前的一个研究热点。
【发明内容】
[0005]1、所要解决的技术问题:
[0006]由于生物传感器应用范围的特殊性，往往不需要过高的带宽，而对于低功耗的要求更加强烈，现有的无线生物传感器由于采用传统的无线通信技术过于复杂，占用资源较多，导致功耗较大，在功耗控制上做的不足。
[0007]2、技术方案:
[0008]为了解决以上问题，本发明从降低节点的功耗为主要目的，采用MSP430和nRF401等来设计无线生物传感器网络的节点，使用的传感模块可以对环境温度进行监测，系统基于ZigBee技术实现无线生物传感器网络的自组和监测数据的自动汇聚，将无线通信技术和传统的生物传感器进行了很好的融合。
[0009]节点的整体结构如图3所示，主要包括传感器模块、微处理器模块、无线收发模块和电源模块几个部分，此外还有电路状态指示灯和扩展接口。
[0010](I)微处理器模块
[0011]无线传输模块与PC机连接的核心微处理器模块选用性能较强的MSP430F149芯片,MSP430F149是一种新型的混合信号处理器,采用了美国德州仪器(Texas Instruments)公司最新低功耗技术，它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。芯片内嵌60KB的Flash和2048B的RAM，因其内部提供双路DART通道，MSP430F149芯片在此充当无线与有线串行传输的连接与处理单元，实现数据初级的封装与分解，为上位机提供便携的接口方式。
[0012](2)无线收发模块
[0013]无线收发模块采用nRF401芯片，nRF401是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片。它采用FSK调制解调技术。nRF401最高工作速率可以达到20K。发射功率可以调整最大发射功率是+lOdBm。天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。nRF401还具有待机模式这样可以更省电和高效。nRF401的工作电压范围可以从2.7V到5V。nRF401满足欧州电信工业标准ETSI EN300200-1V1.2.1。nRF401单片射频集成电路的内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路
[0014]包括:射频功率放大器、锁相环(PLL)，压控振荡器(VCO)，频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。
[0015](3)温度传感器模块
[0016]温度传感器模块采用的是DS18B20芯片，独特的一线接口，简化了分布式温度传感应用，DS18B20采用一线通信接口，不需要外围元件的接入，只需通过编程使其与微处理器通信，即可监测周围温度，测量温度范围为_55°C至+125°C，而且DS18B20无需备用电源，直接使用数据总线供电。
[0017](4)电源模块
[0018]电源模块采用两节干电池供电，电源管理芯片是工作模式可编程控制的低功耗芯片TPS60211，通过编程控制可使得功耗进一步降低。
[0019]有益效果:
[0020](I)低能耗
[0021]电源模块采用TI最新的低功耗电源管理芯片TPS60211，它的输入电压范围在1.8V-3.6V，因此采用2节干电池供电完全可以满足需要，而且其工作状态可以由编程来加以控制，这样就能直接从电源层面控制节点的能耗，从根本上节能。
[0022](2)外围电路简单
[0023]MSP430F149是一种新型的混合信号处理器，它整合了大量的外围模块，使其适合于开发和设计单片系统。芯片内嵌60KB的Flash和2048B的RAM，因其内部提供双路DART通道，MSP430F149芯片可以充当无线与有线串行传输的连接与处理单元，将数据初级的封装与分解，为上位机提供简单方便的接口方式。温度传感器DS18B20采用的是单总线工作模式，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，是的外围电路简单，降低了成本。
[0024](3)应用范围广阔
[0025]传感器采用DS12B20芯片本身就是一个封装好的温度传感器，采用编程可以控制它对温度的测量，测量温度范围在_55°C至+125°C，这就使得该节点可以适应比较恶劣的环境。且系统基于ZigBee技术，传输方便、快速，增大了应用范围。
【附图说明】
[0026]图1本发明的生物传感器示意图
[0027]图2本发明的无线传感器网络节点原理图
[0028]图3本发明的设计结构图
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例来对本发明进行详细说明
[0030]首先，通过编程控制微处理器与DS18B20的通信，设定温度检测的范围，并可以将节点所处环境的温度通过芯片实时的传送到服务器以供观察和记录。
[0031]接着搭建系统网络。将设计的无线传感器节点若干个分别放置某个范围内的不同地方，节点通过串口连接实验室PC机(服务器)，形成一个小范围的无线自组网。并完成调试。
[0032]搭建好拓扑节点后，确定节点测试的条件:工作电压为3.3V，无线射频频率为
2.454GHz，射频输出功率为ldBm。记录节点在不同工作状态下:MCU处于激活状态下，MCU激活并射频接收状态，MCU并射频发送状态下以及休眠状态下的能耗情况。
[0033]记录完成后，在相同地点放置相同数量一般的无线传感器节点组成的系统拓扑，记录这些节点在工作电压为3.3V，无线射频频率为2.454GHz，射频输出功率为IdBm条件下不同状态的能耗情况。
[0034]将两次记录的能耗数据作对比，排除非关键因素的影响，分析本次设计的无限传感器的能耗。
【主权项】
1.一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计，其特征在于:采用MSP430和nRF401等来设计无线生物传感器网络的节点，使用的传感模块可以对环境温度进行监测，系统基于ZigBee技术实现无线生物传感器网络的自组和监测数据的自动汇聚，将无线通信技术和传统的生物传感器进行了很好的融合。
2.如权利要求1所述的一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计，其特征在于:节点的整体结构主要包括传感器模块、微处理器模块、无线收发模块和电源模块几个部分，此外还有电路状态指示灯和扩展接口。
3.如权利要求1-2所述的一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计，其特征在于:无线传输模块与PC机连接的核心微处理器模块选用性能较强的MSP430F149芯片，MSP430F149是一种新型的混合信号处理器,采用了美国德州仪器(Texas Instruments)公司最新低功耗技术，它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。
4.如权利要求1-2所述的一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计，其特征在于:无线收发模块采用nRF401芯片，nRF401是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片。
5.如权利要求1-2所述的一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计，其特征在于:温度传感器模块采用的是DS18B20芯片，独特的一线接口，简化了分布式温度传感应用，DS18B20采用一线通信接口，不需要外围元件的接入，只需通过编程使其与微处理器通信，即可监测周围温度，测量温度范围为-55°C至+125°C，而且DS18B20无需备用电源，直接使用数据总线供电。
6.如权利要求1-2所述的一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计，其特征在于:电源模块采用两节干电池供电，电源管理芯片是工作模式可编程控制的低功耗芯片TPS60211，通过编程控制可使得功耗进一步降低。
【专利摘要】本发明涉及一种传感器网络节点的设计。本发明提供了一种低功耗无线生物传感器网络节点的设计。无线生物传感器网络节点是无线生物传感网络实现应用功能的底层核心，它是实现任务管理、数据采集、功耗管理等功能的承担者。这里提出一种低功耗的无线生物传感器网络节点的设计方案，该方案的微处理器模块采用MSP430芯片，无线收发模块采用nRF401芯片设计，以及温度传感器模块DS18B20，电源模块采用两节干电池供电，电源管理芯片是工作模式可编程控制的低功耗芯片TPS60211。无线通信方面是基于ZigBee技术实现无线生物传感器网络的自组和监测数据的自动汇聚。该设计方案的无线生物传感器网络节点具有低功耗、高精度的特点，也可对节点周围环境的温度进行实时监测的功能。
【IPC分类】H04W16-18, H04W84-18
【公开号】CN104581742
【申请号】CN201310511054
【发明人】郭月梅
【申请人】郭月梅
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月25日